几种杂化有机-无机钙钛矿材料力学和光学性质的研究

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杂化有机-无机钙钛矿(Hybrid Organic-Inorganic Perovskites,简称HOIPs)作为一类“明星”材料凭借制备简单、带隙可调、化学组成多样等众多优异性能,近年来得到了光伏和光电子领域研究者的极大关注。HOIPs结合了有机材料和无机材料的众多优点,因此能表现出丰富的物理性质,在光伏、介电、磁性、铁电、铁弹、多铁等多方面具有广阔的应用前景。材料在工业加工过程中会受到各种应力的作用,如压缩、剪切、拉伸、弯曲、扭转、冲击、静水压等,HOIPs的力学性质对其未来工业化具有决定作用但相关研究却较少,因此充分掌握HOIPs材料的力学性能是确保其规模化应用的重要前提。此外,HOIPs材料在光伏和光电子领域的突出表现,使得对其基本结构-性能关系的研究显得尤为重要。Ruddlesden-Popper型钙钛矿(简称RPPs)作为一类结构高度可调的二维层状钙钛矿,引起了研究人员的广泛关注。随着无机层的厚度的改变,其光电性质也发生显著变化。本文选取几种具有代表性的HOIPs材料,通过多种表征手段以及第一性原理计算,结合理论和实验研究了力学性质,同时也对RPPs可调控光学性质进行了探究。主要内容如下:(1)利用溶液法合成了两种新的HOIPs材料:C6H14N2·KBr3和C6H14N2·RbBr3。利用单晶衍射、热重分析、红外光谱、元素分析等基本表征技术对其进行了综合的物相分析。结合第一性原理计算和纳米压痕实验,对两种材料的杨氏模量(E)、硬度(H)、剪切模量(G)、泊松比(ν)、体模量(B)以及各向异性指数(A)做了综合分析。结果表明与著名光伏材料CH3NH3PbI3相比,C6H14N2·KBr3和C6H14N2·RbBr3具有更高的刚度和热稳定性。此外,结合弹性矩阵得到声速在晶体中的传播规律,进一步分析了晶体中纵波的振动和特性。(2)系统研究了三种不同n值的RPPs:(RNH32Csn-PbnBr3n+1(n=1,2,∞)的晶体结构和光学性质。利用紫外可见吸收光谱测试、光致发光光谱(荧光)以及时间分辨光谱(荧光寿命)测试,发现随着n值的增大,材料的带隙变小,荧光寿命变长。因为RPPs中无机钙钛矿层的厚度可以由合成过程中所用药品的化学计量比的控制来实现,所以可以通过简易的化学合成来精确调控材料的光电性质。
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